光纤湿度传感器及形成方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种光纤湿度传感器及形成方法。

背景技术

环境湿度和环境温度是影响人体舒适度的两个重要因素；同时，湿度还是影响一些设备：如高阻抗电路、静电敏感器件、高电压设备等可靠工作的重要因素；对于很多材料和制成品来说，湿度也是影响其储存和使用的重要因素。湿度的检测通常采用与水分子浓度有关的物理效应。随之对湿度测量要求的不断提高，现有技术的气吸式湿度计已经不能满足现实应用的要求。

近年来，随之MEMS技术的发展，基于MEMS微纳加工的技术湿度传感器得到了广泛的研究和大量的使用。最常见的MEMS湿度传感器是电容检测式和电阻检测式。电容式MEMS湿度传感器，通常采用湿敏的材料(聚合物或氧化物电介质)作为上、下两个电容极板之间的介电层，同时将电容上级板做成多孔的形式，允许外界水分子与湿敏介电层充分接触并被吸收。当中间介电层吸湿以后介电常数将发生改变，从而引起电容大小的改变。通过将此电容的改变量转换为电压、频率或数字的变化最终得到外界湿度的信息。电阻式湿度传感器通常采用了某些非金属的导体电阻率受环境湿度影响较大的现象，将湿度感应材料沉积在叉指电极的顶部以提供大的接触面积。当上层材料吸收水分子后，电极间的电阻率发生变化，随后通过电路测量得到湿度的信息。

然而，在一些存在电磁干扰、供电困难或不能使用电传感器的场合，现有技术的电容式MEMS湿度传感器的使用将会受到限制。因此，需要一种湿度传感器，以使得湿度传感器可以在恶劣环境下的使用，同时具有测量精度高的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤湿度传感器及形成方法，可以在恶劣环境下使用，并且可以提高测量精度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种光纤湿度传感器，包括：

湿敏薄膜，用于吸收大气中的水分；

第一支撑结构，包括相对的第一面和第二面，所述湿敏薄膜位于所述第一支撑结构的第一面；

应变梁，与所述第一支撑结构连接，所述应变梁受力能产生形变；

第一高反膜，位于所述第一支撑结构的第二面；

第二高反膜，与所述第一高反膜相对并且对准所述第一高反膜，所述第一高反膜和所述第二高反膜之间形成FP腔体，并且所述第一高反膜和所述第二高反膜之间的距离为FP腔体的腔长；以及

第二支撑结构，包括相对的第一面和第二面，所述第二高反膜位于所述第二支撑结构的第一面。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，还包括框架，用于支撑所述应变梁，所述框架位于所述应变梁和所述第二支撑结构之间，所述框架一端与所述应变梁连接，另一端与所述第二支撑结构连接。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，所述应变梁的表面和所述第一支撑结构的表面位于同一平面。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，所述应变梁为弯曲的条形形状，一端连接所述支撑结构，另一端连接所述框架。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，所述第一支撑梁结构的横截面为方形，每个边均至少连接有一个所述应变梁。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，还包括：位于所述第二支撑结构的第二面的增透膜和第三支撑结构，所述第三支撑结构具有第二通孔，所述第二通孔的径向垂直于所述第二支撑结构的第二面，所述增透膜位于所述第二通孔露出的第二支撑结构的第二面上。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，所述第一高反膜包括复合介质膜或者金属膜。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，所述第二高反膜和所述增透膜均包括复合介质膜。

可选的，在所述的光纤湿度传感器中，还包括光纤结构，用于接收所述FP腔体输出的光，所述光纤结构位于所述第二通孔内，所述光纤结构对准所述增透膜。

相应地，本发明还提供了一种光纤湿度传感器的形成方法，包括：

提供SOI硅片，所述SOI硅片包括底层硅以及依次叠在所述底层硅上的中间氧化层和顶层硅，部分刻蚀所述顶层硅和所述中间氧化层，以形成位于图案化的顶层硅和图案化的中间氧化层之间的第一通孔，所述第一通孔的露出底层硅的表面，所述图案化的顶层硅和图案化的中间氧化层作为框架；

在所述第一通孔露出的底层硅的表面形成第一高反膜；

提供玻璃片，在所述玻璃片的一个面上形成第二高反膜；

将所述第一高反膜对准所述第二高反膜，将所述图案化的顶层硅与所述玻璃片进行键合，所述玻璃片作为第二支撑结构；

刻蚀所述底层硅形成第一支撑结构和应变梁；以及

在所述第一支撑结构的表面形成湿敏薄膜。

可选的，在所述的光纤湿度传感器的形成方法中，将所述图案化的顶层硅与所述玻璃片进行键合之后，还包括：

去除部分厚度的所述底层硅。

可选的，在所述的光纤湿度传感器的形成方法中，在所述第一支撑结构的表面形成湿敏薄膜之后，还包括：

在所述第二支撑结构的第二面上形成增透膜。

在本发明提供的光纤湿度传感器及形成方法中，湿敏薄膜吸收了水分以后，内部应力发生变化导致第一支撑结构发生形变，从而导致应变梁发生形变，从而改变FP腔体的腔长，腔长的变化量与环境湿度成正比，最终导致FP腔输出的干涉光的波长发生改变，通过读取FP腔输出的干涉光的波长可以准确地得知环境湿度。本发明的光纤湿度传感器可以在任何恶劣环境下使用，并且提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例的光纤湿度传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例的光纤湿度传感器的俯视图；

图3是本发明实施例的光纤湿度传感器的形成方法的流程图；

图4是本发明实施例的刻蚀顶层硅后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图5是本发明实施例的刻蚀中间氧化层后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图6是本发明实施例的形成第一高反膜后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图7是本发明实施例的形成第二高反膜后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图8是本发明实施例的顶层硅和玻璃片键合后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图9是本发明实施例的底层硅减薄后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图10是本发明实施例的形成增透膜后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图11是本发明实施例的形成第一支撑结构后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图12是本发明实施例的形成湿敏薄膜后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图13是本发明实施例的形成第三支撑结构后的光纤湿度传感器的结构示意图；

图中：110-湿敏薄膜、120-第一支撑结构、130-应变梁、140-第一高反膜、150-第二高反膜、160-第二支撑结构、161-玻璃片、170-框架、171-底层硅、172-中间氧化层、173-顶层硅、174-图案化的顶层硅、175-图案化的中间氧化层、180-增透膜、190-第三支撑结构。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。

请参照图1和图2，本发明提供了一种光纤湿度传感器，包括：

湿敏薄膜110，用于吸收大气中的水分；

第一支撑结构120，包括相对的第一面和第二面，湿敏薄膜110位于第一支撑结构120的第一面；

应变梁130，与第一支撑结构120连接，应变梁130受力能产生形变；

第一高反膜140，位于第一支撑结构120的第二面；

第二高反膜150，与第一高反膜140相对并且对准第一高反膜140，第一高反膜140和第二高反膜150之间形成FP腔体，并且第一高反膜140和第二高反膜150之间的距离为FP腔体的腔长；以及

第二支撑结构160，包括相对的第一面和第二面，第二高反膜150位于第二支撑结构160的第一面。

其中，第一高反膜140和第二高反膜150之间具有一定的距离，第一高反膜140的轴线和第二高反膜150的轴线重合。

进一步的，光纤湿度传感器还包括框架170，用于支撑应变梁130，框架170位于应变梁130和第二支撑结构160之间，框架170的一端与应变梁130连接，框架170另一端与第二支撑结构160连接。

优选的，应变梁130的表面和第一支撑结构120的表面位于同一平面。应变梁130的厚度和第一支撑结构120的厚度相同。应变梁130为弯曲的条形形状，应变梁130为弯曲的条形形状，一端连接第一支撑结构120，另一端连接框架170。请参照图2，应变梁130做成条形的形状，再将条形弯曲形成类似S型的形状，条形的且宽度的尺寸较小，这样可以使得应变梁130占用的面积小且更加灵敏。应变梁130为多个，每个第一支撑结构120的边均至少具有连接一个应变梁130。第一支撑结构120的横截面为方形，每个边均至少连接有一个应变梁130。框架170将第一支撑结构120和应变梁130围在中间，框架170的横截面为环形，应变梁130的一端连接在第一支撑结构120上，另一端连接在框架170环内的边上。

进一步的，光纤湿度传感器还包括：位于第二支撑结构160的第二面的增透膜180和第三支撑结构190，第三支撑结构190具有第二通孔，第二通孔的径向垂直于第二支撑结构160的第二面，增透膜180位于第二通孔露出的第二支撑结构160的第二面上。增透膜180的轴线和第二高反膜150的轴线重合。

优选的，第一高反膜140包括复合介质膜或者金属膜，金属膜的材料包括金或铝，复合介质膜包括多层交替排列的氧化硅和氧化钽、多层交替排列的氧化硅和氧化钛以及多层交替排列的氧化硅和氧化氮中的一种；第二高反膜150包括复合介质膜，复合介质膜包括多层交替排列的氧化硅和氧化钽、多层交替排列的氧化硅和氧化钛以及多层交替排列的氧化硅和氧化氮中的一种。增透膜180包括复合介质膜，复合介质膜包括多层交替排列的氧化硅和氧化钽、多层交替排列的氧化硅和氧化钛以及多层交替排列的氧化硅和氧化氮中的一种。

进一步的，光纤湿度传感器还包括光纤结构(图中未示出)，用于接收增透膜180输出的光，光纤结构位于第二通孔内，光纤结构对准增透膜180。第三支撑结构190不但用于支撑第二支撑结构160，还可以支撑光线结构。湿敏薄膜吸收了水分以后，质量发生变化，导致应变梁130发生形变，从而改变FP腔体的腔长，腔长的变化量与环境湿度成正比，最终导致FP腔输出的干涉光的波长发生改变，FP腔输出的干涉光经过增透膜180，达到光纤结构，光纤结构读取FP腔输出的干涉光的波长可以准确地得知环境湿度。

请参照图3，本发明提供了一种光纤湿度传感器的形成方法，包括：

S11：提供SOI硅片，部分刻蚀顶层硅和中间氧化层，以形成位于图案化的顶层硅和图案化的中间氧化层之间的第一通孔，第一通孔的露出底层硅的表面，图案化的顶层硅和图案化的中间氧化层作为框架；

S12：在第一通孔露出的底层硅的表面形成第一高反膜；

S13：提供玻璃片，在玻璃片的一个面上形成第二高反膜；

S14：将第一高反膜对准第二高反膜，将图案化的顶层硅与玻璃片进行键合，玻璃片作为第二支撑结构；

S15：刻蚀底层硅形成第一支撑结构和应变梁；以及

S16：在第一支撑结构的表面形成湿敏薄膜。

进一步的，将图案化的顶层硅与玻璃片进行键合之后，光纤湿度传感器的形成方法还包括：

去除部分厚度的底层硅。

进一步的，在第一支撑结构的表面形成湿敏薄膜之后，光纤湿度传感器的形成方法还包括：

在第二支撑结构的第二面上形成增透膜。

进一步的，形成增透膜之后，光纤湿度传感器的形成方法还包括：

在第二支撑结构的第二面形成第三支撑结构，第三支撑结构具有第二通孔，第二通孔内露出增透膜。

进一步的，形成增透膜之后，光纤湿度传感器的形成方法还包括：

在第二通孔内形成光纤结构，光纤结构对准增透膜。

具体的形成方法，请参照图4和图5，首先，提供SOI硅片，SOI硅片包括底层硅171以及依次叠在底层硅171上的中间氧化层172和顶层硅173，在顶层硅173上进行光刻处理后利用Deep RIE工艺工艺刻蚀，在图案化的顶层硅174的轴向形成方孔，方孔露出中间氧化层172的表面，接着，利用湿法腐蚀或干法刻蚀将方孔内露出的中间氧化层172去除，在图案化的中间氧化层175内形成方孔，方孔露出底层硅171的表面。图案化的顶层硅174的方孔和在图案化的中间氧化层175的方孔形成第一通孔。

接着，请参照图6，在第一通孔露出的底层硅111的表面沉积高反膜，高反膜的反射率高于95％，对高反射膜进行图形化处理，形成第一高反膜140。

请参照图7，提供玻璃片161，在玻璃片161的表面沉积高反膜，高反膜的反射率高于95％，对高反射膜进行图形化处理，形成第二高反膜150。

请参照图8，将第一高反膜140对准第二高反膜150，将图案化的顶层硅174和玻璃片161进行键合，玻璃片161作为第二支撑结构160，第二支撑结构160分为相对的第一面和第二面，第二高反膜150位于第二支撑结构160的第二面。

请参照图9和图10，对底层硅171进行减薄处理，以去除部分厚度的底层硅171，在第二支撑结构160的第二面上形成增透膜180。

请参照图11和图2，刻蚀减薄后底层硅171，以形成第一支撑结构120和应变梁130。

请参照图12和图13，在第一支撑结构120的表面形成湿敏薄膜110，在第二支撑结构160的第二面形成第三支撑结构190，第三支撑结构190具有第二通孔，第二通孔内露出增透膜180。最后在第一通孔内形成光线结构，光线结构对准增透膜180。

综上，在本发明实施例提供的的光纤湿度传感器及形成方法中，湿敏薄膜吸收了水分以后，内部应力发生变化导致第一支撑结构发生形变，从而导致应变梁发生形变，从而改变FP腔体的腔长，腔长的变化量与环境湿度成正比，最终导致FP腔输出的干涉光的波长发生改变，通过读取FP腔输出的干涉光的波长可以准确地得知环境湿度。本发明的光纤湿度传感器可以在任何恶劣环境下使用，并且提高了测量精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。